CC BY
28
tl216.fm Page 15 Monday, July 4, 2016 10:39 AM
_АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.763:669.295
Эй-ПЕЧАТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОЛУЧЕННОЙ ПРОДУКЦИИ И ИСХОДНОГО ПОРОШКА*
X. Wu1, J. Mei1'2, R. Boyer1, J. Williams2
Рассматривается применение 3D-печати титановых сплавов для нужд авиакосмической промышленности, биомедицины и других отраслей, где большое значение имеют качество продукции, стабильность и воспроизводимость результатов. Представлены результаты испытаний образцов, изготовленных из порошка авиакосмического сплава Ti-6Al-4V, полученного методом ALD EIGA. Для изготовления образцов по технологии 3D на машине послойного лазерного сплавления EoSM280 из каждой партии порошка массой 1 т брали по три порции исходного материала. Из каждой порции отпечатали и испытали шесть образцов на растяжение, наплавленных в горизонтальном направлении, и шесть образцов, наплавленных в вертикальном направлении. Данные испытаний показали, что при контролируемом качестве заготовок, подаваемых на распыление, можно получить титановый порошок хорошего качества, при использовании которого можно достичь стабильных воспроизводимых механических характеристик на напечатанном материале Ti64. Рассмотрено также влияние последующей термической обработки, проведены анализ и сравнение микроструктур, сформировавшихся в результате применения различных производственных методов и последующих термических обработок. Освещены некоторые проблемы, связанные с оценкой титановых изделий, изготовленных по технологии 3D-печати, в авиакосмической промышленности и медицине.
Ключевые слова: аддитивное производство; 3D-печать; термическая обработка; механические свойства.
3D Printing of Ti Alloys Quality Control of Its Products and Powder Feedstock.
X. Wu, J. Mei, R. Boyer, J. Williams.
3D printing of Ti alloys is being considered for aerospace and biomedical applications, among others where quality, consistency and repeatability are essential. Test results of 3D printed Ti-6AI-4V using aerospace grade powder are presented. This powder is atomized using the ALD EIGA process. Three batches of powder from each lot, where a lot weighs 1 tonne, are used to 3D print samples using a laser powder bed system EoSM280. Six tensile specimens with the build length oriented in the horizontal direction and six with the build length oriented in the vertical direction were printed and tested tor each batch. These data have demonstrated that with controlled bar stock quality as input to the atomizer, Ti powder with good quality and repeatability can be obtained. Using this powder, consistent and repeatable mechanical properties in 3D printed Ti64 material can be obtained as discussed herein. The influence of post processing heat treatment is also reported and the microstructures under different processing and post heat treatments are analyzed and compared. Some of the challenges for qualifying 3D printed Ti components in aerospace and medical applications are discussed.
Key words: additive manufacturing; 3D printing; heat treatment; mechanical properties.
* Из доклада на 13 Всемирной конференции по титану. Сан-Диего. 2015. Печатается с разрешения авторов. Перевод В.Н. Пономарева.
1 Центр аддитивного производства Монаш, Университет Монаш, факультет материаловедения, Австралия, шт. Виктория 3800, г. Клейтон, Веллингтон роуд, стр. 70, комн. 233
2 Фирма Ра!соп1есИ, КНР 214145, провинция Цзянсу, г. Уси, Новый район, адм. центр Гоншань, Гоншань роуд, 99.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Введение
Эй-печать или, точнее, аддитивное производство (АМ) в настоящее время все больше привлекает внимание специалистов. Существует много методов производства точных и близких к ним по точности деталей, включая использование различных видов предварительно легированных порошков и проволоки с применением различных видов источников энергии, в том числе лазеров, электронных лучей и плазматронов для послойной наплавки порошка или проволоки на подложку. Эту технологию изучают применительно к сплавам различных систем; в данной работе исследуют применение титана, в частности сплава Т1-6Д!-4У (цифры указывают номинальный химический состав в % мас.).
Титановые и никелевые сплавы, по-видимому, имеют наибольший потенциал в плане снижения издержек производства, поскольку исходный материал дорог, а стоимость механической обработки довольно высока; стоимость такой обработки обычной титановой детали составляет около половины цены готовой детали. В то время как стоимость килограмма порошка выше, чем деформируемого титана, детали, изготовленные по аддитивной технологии, будут иметь гораздо меньший коэффициент использования металла (КИМ) (отношение массы закупленного материала для изготовления данного изделия к массе готовой детали). КИМ объемной штамповки составляет обычно 5-10:1 и может быть гораздо выше. КИМ 20-30:1 не является редкостью при механической обработке детали из кованой заготовки или плиты. Предполагают, что КИМ для детали, изготовленной по технологии АМ, будет меньше чем 2:1. Хотя стоимость фунта порошка значительно выше стоимости деформируемого продукта, из которого обычно изготавливают деталь, полная стоимость исходного материала может быть ниже благодаря низкому КИМ, при этом расходы на механическую обработку будут намного меньше.
Другим преимуществом аддитивного производства является существенное сокращение сроков поставок изготовленной продукции. При традиционном (субтрактивном) производстве, в зависимости от детали, может пройти год от размещения заказа до его получения, тогда как в условиях аддитивного
производства на это может потребоваться несколько недель. Заметный эффект, как правило, достигается на какой-либо детали, которую обычно изготавливают из объемной штамповки, поскольку в зависимости от ее размера и сложности на производство штампов затрачивается от 6 месяцев до года, в то время как для аддитивного производства не требуется никаких штампов. Программный цифровой файл, определяющий изготовление детали, вводят в компьютер, после чего можно начинать производство. В случае изменения конструкции необходимо просто перепрограммировать оборудование для АМ, а не модифицировать штамп. Как уже указывалось выше, наибольший экономический эффект при аддитивном производстве, как правило, достигается на деталях, обычно изготавливаемых обработкой резанием из штампованных заготовок или плит с высоким КИМ.
Очень важно убедить заказчика в том, что по технологии АМ можно изготавливать необходимые детали с приемлемым уровнем качества и стабильными размерами и с утвержденным производственным календарным планом. Это особенно необходимо в области производства для нужд авиакосмической промышленности и медицины, где качество имеет наибольшее значение.
Наконец детали, изготовляемые по технологии АМ, могут иметь гораздо более сложную геометрию, чем какой-либо другой вид деформируемой продукции. Это позволяет достичь гораздо большей конструкционной эффективности на имеющихся новых разработках.
Механические свойства деталей, изготовленных на машине послойного лазерного сплавления ЕоБМ280 из порошка, полученного газовым распылением, измеряли в направлении наплавки, т. е. в вертикальном и перпендикулярном (горизонтальном) направлениях. В статье рассматриваются различия полученных данных, а также влияние содержания кислорода, конечной термической обработки и температуры подложки.
Материалы и методика эксперимента
Порошки получали на фирме Ра!соп1есИ (Китай) газовым распылением методом ДЬй ЕЮД с разным содержанием кислорода в пределах 1100-1700 ррт. Каждая партия порошка весила около 1 т. Каждую партию заго-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
товок изготавливали из шихты следующего химического состава: 6,12А1 - 4,13У -0,0097Ы - 0,006Н - 0,17Ре - 0,014С - 0,00581 (% мас.). Содержание кислорода изменяли добавлением ТЮ2 в указанную смесь. Порошок содержали в атмосфере аргона с момента его производства до изготовления образцов. Из многочисленных порций порошка изготавливали заготовки для вырезки образцов. Детали, наплавляемые в вертикальном направлении методом избирательного лазерного сплавления (8ЬМ), имели цилиндрическую форму диаметром 10 мм, а размер образцов, наплавляемых горизонтально в виде прямоугольного профиля, составлял 10^10x70 мм. В каждой партии образцов было 24 заготовки, наплавленных как вертикально, так и горизонтально. Все они проходили рентгеновский контроль для гарантии качества. Для данной конфигурации образцов минимальный обнаруживаемый размер дефекта обычно составлял 0,5 мм, при этом ни в одной партии дефекты такого размера не были найдены. Жесткий ультразвуковой контроль деформируемых изделий обычно выявляет дефекты с максимальным размером ~0,8 мм (при применении отражателя в виде плоскодонного отверстия размером 2/64 дюйма (0,79 мм). Затем образцы отжигали в вакуумной печи при 600, 700 и 800 °С в течение 2 ч по стандарту АМ8 Н-81200 с последующим охлаждением с печью. Образцы испытывали на растяжение в соответствии с требованиями стандарта А8ТМ Е-8 при скорости деформации 0,003-0,007 до физического предела текучести включительно, а затем регулировали скорость перемещения траверсы, что приводило к разрушению образца в пределах 1 мин.
Анализировали влияние температуры подложек, нагреваемых до 100 или до 200 °С. Полученные образцы затем отжигали при 700 и 800 °С в течение 2 ч с охлаждением с печью. Также оценивали содержание кислорода в этом материале.
Микроструктуры, сформировавшиеся при всех этих условиях, исследовали на растровом электронном микроскопе. Кристаллографическую текстуру получали, используя методы дифракции обратного рассеяния электронов, и анализировали, принимая во внимание различные условия изготовления образцов. Для выбранных условий также создавали полюсные фигуры и обратные полюсные фигуры.
Результаты и обсуждение
Влияние температуры отжига было ожидаемым, т.е. повышение температуры вызывало снижение прочности и повышение технологической пластичности. На рис. 1 показано влияние температуры отжига на предел текучести.
Как можно было предположить, с повышением температуры отжига происходит рост зерна. Интересно также, что имеются указания на эпитаксиальный рост бета-зерна, но не на столько обширный, как можно было бы наблюдать при других процессах (рис. 2). Имеются также определенные признаки наличия микротекстуры (макрозон), но они слабее и меньше, чем те, которые обычно наблюдают в деформированных изделиях.
На рис. 3 показано влияние содержания кислорода на свойства, причем объяснить его достаточно трудно. Подложку нагревали до 100 °С. Содержание кислорода, указанное на
С
1100
1000
I Горизонтальное направление I Вертикальное направление
Н 900 -
р
С
800
600 700 800
Температура термической обработки, °С
Рис. 1. Влияние температуры отжига на предел текучести образцов из порошка сплава Ti—6Al—4V c исходным содержанием кислорода 1100ppm в порошке:
штриховая линия показывает минимальные требования для штамповок из сплава Т1-6А!-4У, представленных в ТУ
Рис. 2. Вертикальный разрез образца, наплавленного в вертикальном направлении (изображение получено методом дифракции обратного рассеяния электронов)
tl216.fm Page 18 Monday, July 4, 2016 10:39 AM
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
рис. 3, соответствует его содержанию в исходном порошке; около 100 ppm кислорода было захвачено во время процесса наплавки. Результаты испытания образца с вертикальной наплавкой показывают общую тенденцию, а именно: с увеличением содержания кислорода прочность повышается. Однако у горизонтально наплавленных образцов прочность оставалась постоянной при повышенном содержании кислорода. Горизонтальная наплавка обычно приводила к повышению прочности, как можно предположить, благодаря меньшему размеру зерна, наблюдаемому обычно при таком направлении, тогда как при вертикальной наплавке повышенная прочность отмечалась при наиболее высоком содержании кислорода. На рис. 3 показано, что все прочностные значения расположены гораздо выше минимальных значений, определенных для штамповок или плит с содержанием кислорода выше уровней ELI (пониженного содержания элементов внедрения). Наименьшие значения предела текучести, предела прочности при растяжении
1200
1100
cS
И
S 1000
о
24
900
800
Вертикальное направление ■ Горизонтальное направление
1000 1200 1400 1600
Кислород, ppm
1800
Рис. 3. Влияние содержания кислорода на прочность при растяжении образцов, отожженных при 700 °С в течение 2 ч:
цифры показывают количество проведенных повторных испытаний; штриховая линия - минимальные требования для штамповок из сплава Т1-6Д!-4У, представленных в ТУ
Содержание кислорода после БЬМ
и термической обработки при нагреве
подложек до двух разных температур
Температура отжига, Содержание О2 Темпера-
проведенного в наплавленном тура под-
после SLM, °С образце, ppm ложки, °С
700 1812 100
800 1910 100
800 1980 200
800 1980 200
и относительного удлинения составляют 1000 МПа, 1100 МПа и 11 % соответственно. Для того, чтобы утверждать, что свойства образцов, полученных наплавкой как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, соответствуют по своим значениям свойствам деформируемого материала, данных недостаточно, но на этом этапе они, конечно же, внушают оптимизм.
В таблице показано конечное содержание кислорода после БЬМ и отжига с указанием двух температур подложки и трех* различных температур отжига для исходного материала с содержанием кислорода ~ 1700 ррт. Данные очень стабильны. Результаты показывают, что повышение как температуры подложки, так и температуры отжига способствует поглощению кислорода материалом при БЬМ или в ходе последующей термической обработки соответственно.
Выводы
1. При температуре отжига 700 °С обеспечивается хорошее сочетание механических свойств.
2. Наплавка, проводимая в горизонтальном направлении, обеспечивает наибольшую прочность.
3. При температуре отжига 700 °С механические свойства деформированных штамповок соответствовали свойствам материала, наплавленного как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, с содержанием кислорода 1100-1700 ррт. Для того, чтобы гарантировать соответствие свойств этого материала свойствам деформированного, собранных данных недостаточно, но они достаточно оптимистичны.
4. При проведении рентгенодефектоско-пии наплавленных образцов дефекты размером 1 0,5 мм в них не были обнаружены, что превышает обычные требования, предъявляемые к деформированным изделиям.
5. Данная технология аддитивного производства на этапе между изготовлением деталей и последующим отжигом приводит к насыщению кислородом в объеме -100 ррт. Нагрев подложки до температур в пределах 100-200 °С также повышает насыщенность примерно на такую же величину.
! Так в тексте (прим. переводчика).
